王 鵬 王守城

（青島科技大學機電工程學院 青島 266061）

1 引言

隨著人類社會的不斷發(fā)展、進步，人民物質(zhì)生活需求得到了極大的提高，因此導致產(chǎn)生的生活垃圾也日益增多，過多的垃圾如果不進行及時、有效并正確的處理，將直接影響到人們的生活與工作環(huán)境［1］。而無論最終人類對生活垃圾如何處理，都需要對垃圾進行收集與運輸?shù)戎虚g過程。垃圾在傳統(tǒng)收集過程中會占用大量土地資源，對周邊的環(huán)境也會產(chǎn)生巨大的危害，為此，有人提出一種地埋式垃圾壓塊機的裝置，可以先將垃圾在地下進行壓縮，然后輸送到地面再轉(zhuǎn)運［2］?，F(xiàn)有的對地埋式垃圾壓塊機的設(shè)計在對箱體進行舉升時，會同時將部分壓縮裝置也同步舉升，這就導致舉升能量浪費，且垃圾處理效率低，因此設(shè)計一種地埋式垃圾壓塊機自卸箱體裝置，有效提升舉升效率，運輸便攜，成本低，節(jié)約能源，而鉸鏈軸作為其中的關(guān)鍵零部件之一［3］，對自卸箱體起到連接與支撐的作用，對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計并進行靜力學分析驗證其作業(yè)過程中所設(shè)計的結(jié)構(gòu)的的可靠性非常重要。

2 地埋式垃圾壓塊機的自卸箱體機構(gòu)

2.1 自卸箱體機構(gòu)簡介

地埋式垃圾壓塊機自卸箱體機構(gòu)包括自卸箱、液壓缸、支撐底板、支座以及鉸鏈軸。自卸箱體機構(gòu)隨裝置整體置于地下，當箱體內(nèi)垃圾達到一定量時，舉升機構(gòu)將自卸箱體機構(gòu)舉升至地上，通過液壓缸工作將自卸箱傾倒并使其內(nèi)的垃圾塊倒出至轉(zhuǎn)移車上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自卸箱體機構(gòu)示意圖

在這一機構(gòu)的作業(yè)過程中，鉸鏈軸將自卸箱與支撐地板通過支座連接在一起，起著十分重要的作用。由于箱體內(nèi)所含垃圾塊重量大，對于鉸鏈軸的作用力很大，所以鉸鏈軸要滿足一定剛度、強度條件，確保其不會發(fā)生較大的變形甚至斷裂［4］。

2.2 自卸箱體機構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 自卸箱的設(shè)計及參數(shù)

為保證自卸箱具有一定的強度、剛度以及穩(wěn)定性，箱體由槽鋼焊接的框架以及鋼板一同焊接而成，材料為Q235鋼［5］。

表1 自卸箱體機構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)

通過查找資料可知q235 鋼的密度ρ=7.8g/cm3，自卸箱所用鋼板的體積為

由此可得自卸箱的質(zhì)量為

自卸箱底部一側(cè)有一對支座，通過鉸鏈軸與支撐底板上的支座相連接。

2.2.2 鉸鏈軸的設(shè)計及參數(shù)

鉸鏈軸的材料設(shè)計為經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的45 號鋼［6］，相應的屈 服強度σS=355MPa ，抗剪切強度取系數(shù)0.7，取安全系數(shù)S=2.5［7］?？梢杂嬎愠鰪澢?。

許用應力

許用切應力

其受力情況為

當自卸箱水平時，鉸鏈軸不受力，此時只有支撐底板受到垂直作用力；當液壓缸開始工作，從而使得自卸箱傾倒工程中，其受力情況隨著舉升角的變化而變化。鉸鏈軸逐漸承受徑向作用力，并隨著舉升角的增大而逐漸變大；當舉升角達到30°時，自卸箱內(nèi)的部分垃圾塊會被卸載，鉸鏈軸承受的力還會增加，但是增加速度逐漸減緩；當垃圾塊卸載一定量時，鉸鏈軸承受的力達到最大，之后，鉸鏈軸承受的力隨舉升角的增大而減小。圖2 為自卸箱舉升角度α為30°時對其進行的受力分析。

圖2 自卸箱舉升角度α為30°時的受力分析

根據(jù)力矩平衡方程可得：

其中：

式中：

PQ=404mm；BQ=846mm；BR=733mm，由此可得液壓缸對自卸箱的舉升力：

舉升力F 分解到X，Y 軸的分力分別為Fx，F(xiàn)y；對自卸箱受到的由鉸鏈軸作用給它的支承反力N 進行X，Y 軸方向的分解可得兩個分力分別為Nx，Ny［8］，列出力的平衡方程可得

根據(jù)勾股定理可得鉸鏈軸對自卸箱的支撐反力N，即

考慮到自卸箱體的其它外載以及自卸過程中力的變化情況，為了使設(shè)計的鉸鏈軸更加安全，計算時可以使其所受的力大一些，故其所受的力N取8.5×104N。

因為有兩個鉸鏈軸，所以每一個鉸鏈軸上的力

所以選取直徑d為46mm。

3 鉸鏈軸的靜力學分析

3.1 導入鉸鏈軸模型并劃分網(wǎng)格

打開ANSYS Workbench15.0，雙擊Static Structural，右側(cè)空白區(qū)出現(xiàn)Static Structural塊A，雙擊A2欄engineering Date，輸入45#鋼的材料屬性，點擊project，返回工程流程圖的Workbench界面，右鍵點擊A3 欄導入在Solid works 中創(chuàng)建的幾何模型，雙擊A4欄進入Mechanical中［10］。

劃分網(wǎng)格。鼠標右鍵單擊Mesh，左擊Generate Mesh 初步劃分網(wǎng)格［11］，為了得到比較精確的分析，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為4mm，采用三角區(qū)域單元劃分。

3.2 施加約束與載荷

根據(jù)鉸鏈軸實際受力情況，在鉸鏈軸與支座的連接部分添加圓柱面約束，只保留繞軸旋轉(zhuǎn)的自由度，在鉸鏈中間部分施加不同的載荷。

3.3 靜力學分析結(jié)果

添加求解選項并求解。左鍵單擊導航欄中Solution（A6），添加總變形結(jié)果和等效應力結(jié)果，單擊Solve得到總變形圖圖3和等效應力圖圖4［12～13］。

圖3 鉸鏈軸總變形圖

圖4 鉸鏈軸等效應力圖

從圖中可以看出，鉸鏈軸徑向幾乎不產(chǎn)生位移，其所受到的最大應力值顯示為38.609MPa，遠遠小于45#鋼的許用應力［σ］=142MPa。還可以觀察到，無論是位移還是應力分布，鉸鏈軸兩端支撐軸部分變化相對明顯，所以在鉸鏈軸的設(shè)計時應該對該部位進行高強度處理，保證其可靠性［14］。

4 結(jié)語

根據(jù)地埋式垃圾壓塊機自卸箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對自卸箱及其鉸鏈軸進行了設(shè)計，使其滿足最大彎曲應力的強度條件和最大切應力的強度條件，并利用ANSYS Workbench對鉸鏈軸進行靜力學分析［15］，確保設(shè)計的鉸鏈軸滿足要求，保證了它的的安全可靠。同時也為地埋式垃圾壓塊機今后的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了相關(guān)資料。